表面等離激元調控非線性上轉換發光:多光子生物成像和螢光偏振技術

2021-01-19 科學網
表面等離激元調控非線性上轉換發光：多光子生物成像和螢光偏振技術

 

摻鑭族元素的上轉換納米晶是一種新穎的螢光材料。和傳統的螢光材料比較，它們具有光譜可調和光穩定性好等諸多優點，在近紅外生物成像和非線性光電子器件等領域應用前景廣闊。尤其是上轉換納米晶一般被808和980納米近紅外光激發，恰好處於第一個生物透明窗口，具有生物組織穿透性強和低光熱損傷等特性。然而，上轉換納米晶的量子效率一般都很低（低於1%），嚴重阻礙了它們的實際應用。為了克服這種缺陷，科學家們研發了眾多的物理和化學手段來提升它們的吸收和發光效率。比較常見的有表面鈍化，調控能量轉移，改變宿主晶格結構等方法。最近，人們發現亞波長貴金屬納米結構產生的表面等離激元可以有效的提升鑭族離子的吸收截面和輻射躍遷速率，同時還有可能影響上轉換納米晶的螢光偏振特性。

新近，香港理工大學雷黨願研究組使用具有雙表面等離激元共振模式的金棒-二氧化矽核殼納米顆粒來增強鉺鐿共摻的氟化鈣上轉換納米晶的發光效率，並且實現了同時調控綠色和紅色螢光的偏振模式。通過將小於10納米的上轉換納米晶和金棒-二氧化矽核殼納米顆粒結合在一起，他們成功合成了一種新型核殼-衛星複合納米結構。通過精確控制二氧化矽殼層的厚度，獲得了高達7倍的紅色螢光增強和3倍的綠色螢光增強，顯著提高了海拉細胞的多光子螢光成像對比度，表明這種複合納米結構可以做為有效的非線性螢光探針應用於高對比度的生物成像領域。更有趣的實驗現象是單個複合納米顆粒的兩個螢光峰的偏振特性對於激發雷射具有完全不一樣的響應。其中紅色螢光的偏振方向始終和金棒長軸方向一致，然而綠色螢光偏振方向追隨著激發光的偏振方向。通過結合福斯特共振能量轉移理論和三維電動力學仿真，他們分析了兩種顏色螢光不同偏振特性的物理起源：上轉換納米晶中的發光偶極子和金棒中的表面等離激元偶極子的耦合作用。他們的研究結果不但在精確調控上轉換發光領域內開創了一條新的道路，而且有助於發展一系列基於上轉換材料的生物成像和傳感應用，同時也將促進上轉換材料在偏振激發下的光譜研究和基於偏振敏感的納米光電探測器的應用。

相關的研究成果發期刊《Light: Science & Applications》雜誌上（Light: Science & Applications (2017) 6, e16217; doi:10.1038/lsa.2016.217）。相關的全文連結請參看：http://www.nature.com/lsa/journal/v6/n5/full/lsa2016217a.html。（來源：科學網）

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